摻加BFS的乳化瀝青冷再生混合料路用性能研究

楊 漣，徐周聰，周浩南，王全磊，王火明，蔣文鵬

(1. 南寧市交通投資集團有限公司，廣西 南寧 530021； 2. 招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067； 3. 云南大永高速公路建設指揮部，云南 大理 671000)

0 引 言

高爐礦渣(blast furnace slag, BFS)是冶煉生鐵時排出的一種廢渣。目前，BFS再次利用的方法不多且利用率不高，大量的BFS只能閑置堆積，占用大量土地并嚴重污染環境[1-2]。積極開拓BFS的應用范圍無疑將會帶來巨大的經濟效益與社會效益[3-5]。就材料需求方面看，道路工程屬于高能耗型行業。因此，在道路領域尋求BFS合理有效的利用途徑具有重要研究意義。

國外對于BFS研究應用從19世紀便已開始。德國人最早發現BFS可與石灰混合產生膠凝效果，并在堿性條件下激發水硬活性；之后BFS更被廣泛用于生產硅酸鹽水泥、改善混凝土和易性、污水處理等方面[6-11]。國內對BFS的研究起步較晚，且最初只將其用于生產水泥，直到20世紀末才作為混凝土外加劑使用[12-13]。將BFS用于乳化瀝青冷再生混合料，以改善其路用性能的相關研究還很鮮見。針對現在瀝青早期強度低等特點，水泥在乳化瀝青冷再生技術中的應用曾在世界范圍內被廣泛研究[14]。與發達國家相比，我國乳化瀝青冷再生技術研究仍處于起步階段。直到2007年，同濟大學孫立軍教授課題組才首次將乳化瀝青冷再生技術大規模應用于高速公路上。乳化瀝青冷再生混合料多集中于纖維、聚合物改性技術或施工技術方面的研究，對礦渣粉乳化瀝青冷再生混合料的研究還較少[15-18]。

筆者基于乳化瀝青冷再生技術，將BFS應用于乳化瀝青冷再生混合料中。一方面可合理利用BFS，實現廢物的資源化利用；另一方面，通過摻加BFS，可改善乳化瀝青冷再生混合料路用性能。通過對乳化瀝青冷再生混合料干濕劈裂強度與凍融劈裂強度對比，探究了BFS乳化瀝青再生混合料可行的利用方式，并對摻入BFS后的乳化瀝青冷再生混合料路用性能進行了評價。

1 材料與配比

1.1 試驗材料

1.1.1 高爐礦渣

高爐礦渣(blast furnace slag, BFS)是以硅酸鈣、鋁酸鈣為主要成分的熔融物，其他礦物有硅酸二鈣、鈣鋁黃長石、鎂黃長石及鈣長石等。從化學成分看，BFS屬于硅酸鹽質材料，其中：SiO2、CaO、Al2O3含量約占礦渣總量的90%以上，此外還存在少量硫化物。BFS具有一定活性，其活性不僅僅取決于它的化學成分，而且還取決于冷卻條件。根據冷卻條件不同將礦渣分為兩類，熔融礦渣流出后經空氣緩慢冷卻得到的是塊狀高爐礦渣；經水淬急冷得到的是粒化高爐礦渣。粒化高爐礦渣(granulated blast furnace slag, GBFS)是目前BFS中的主要類型，一般經過干燥后摻入少量其他組分(如石膏等)并研磨到一定細度，就可得到高爐礦渣粉，簡稱礦渣粉。

筆者主要采用上海寶山鋼鐵公司生產的S95級粒化高爐礦渣粉進行試驗研究，礦渣粉及普通硅酸鹽水泥的主要成分分別如表1、表2。

表1 寶鋼BFS主要成分組成Table 1 Main components of Baosteel BFS

表2 普通硅酸鹽水泥主要成分組成Table 2 Main components of ordinary portland cement

礦渣粉至關重要的3項物理性能指標是密度、含水量與細度(比表面積)。本研究所用BFS物理指標如表3。

表3 BFS物理指標Table 3 BFS physical index

1.1.2 乳化瀝青

乳化瀝青作為冷再生混合料中的黏結劑，其性能優劣將嚴重影響再生混合料性能。筆者采用由美國美德維實偉克公司生產的陽離子慢裂乳化瀝青，如表4。

表4 乳化瀝青的技術要求及檢測結果Table 4 Technical requirements and test results of emulsified asphalt

1.1.3 再生瀝青混合料(RAP)

本研究所用廢舊瀝青路面材料來自寶鋼廠區道路。根據翻挖破碎情況，將其篩分為0～10 mm和10～30 mm兩檔集料，其中有少量粒徑超過31.5 mm的顆粒，為防止試驗數據離散，將這些顆粒過篩去除。采用干篩法得到的篩分結果見表5。

表5 寶鋼RAP材料篩分結果Table 5 Baosteel RAP material screening results

1.2 試樣配比

乳化瀝青冷再生混合料的配合比：0～10 mm RAP為60%；10～30 mm RAP為40%；乳化瀝青為3.5%；水泥為1.5%。BFS的再生利用研究以此配合比為試驗基礎，礦渣粉和水泥在配制集料時加入。基于再生利用方法應盡可能方便有效原則，筆者設計了兩種方案依次進行試驗。方案1為直接替代水泥使用；方案2是以消石灰為激發劑替代水泥使用。其中，乳化瀝青和水泥為外摻方式加入。

2 試驗結果與分析

2.1 BFS再生利用方式

2.1.1 直接摻入

筆者本次研究設計了3種配合比進行干、濕劈裂強度(ITS)試驗，比較了水泥與BFS在混合料中的作用，如表7。其中：濕劈裂強度是指在已達規定穩定溫度恒溫水槽中保溫48 h試件的劈裂強度，乳化瀝青規定溫度為(25±1)℃。

從表6可知：在3種配比下，混合料干濕劈裂強度差別較小，最大差值不足0.02 MPa。這是由于混合料在干燥狀態下，強度主要來源于瀝青的膠結作用與骨架的支撐作用，當混合料級配與瀝青用量相同時，其他因素對干濕劈裂強度影響較小，辨析度低。當各組試件干濕劈裂強度比均超90%時，該值遠超設計要求，這也說明這3種乳化瀝青冷再生混合料均具有優良的水穩定性能。從干濕劈裂強度結果來看，BFS替換水泥存在一定可行性。

表6 干濕劈裂強度Table 6 Dry and wet splitting strength

筆者又進行了浸水條件更為苛刻的凍融劈裂試驗，如表7。

表7 凍融劈裂強度Table 7 Freeze thaw splitting strength

從表7來看：未凍融試件的劈裂強度數值相近，差值不足0.200；而凍融后劈裂強度則存在較大的性能差異。對照組和摻加BFS的混合料強度較低，且TSR值不滿足技術要求；摻加水泥的實驗組則表現出較好的性能。這說明添加水泥可提高混合料強度，且大幅提高了混合料水穩定性；而BFS則會降低混合料水穩定性。

為進一步驗證結論，筆者分析了BFS摻量對凍融劈裂強度影響，如圖1。結果表明：BFS對乳化瀝青冷再生混合料的水穩定性不利。隨著摻量的增大，水穩定性繼續緩慢下降，故直接摻入BFS的方案并未有效地激發其活性。

圖1 不同BFS摻量下的凍融劈裂強度Fig. 1 Freeze-thaw splitting strength of different BFS content

2.1.2 以消石灰做激發劑

消石灰是氫氧化鈣粉末狀固體，可形成堿性液相，可能能成為激發劑，且其價格低廉，有大規模應用的潛力。消石灰作為激發劑主要是為了增強礦渣粉活性指數，根據文獻[19]，活性指數被定義為同齡期的膠砂抗壓強度與對比膠砂抗壓強度的比值，表征礦渣粉強度形成的速度與程度。在沒有消石灰情況下，BFS無法形成強度，這里主要采用在加入消石灰后礦渣粉強度來體現其活性。

為驗證消石灰作為堿性激發劑的可行性。筆者測定了BFS摻加消石灰后的抗壓強度與抗折強度，如圖2。

圖2 不同消石灰摻量下BFS的抗折強度和抗壓強度Fig. 2 Flexural strength and compressive strength of BFS with different contents of slaked lime

由于未摻加消石灰的BFS試件完全無法硬化成型，故將其強度記為0。試驗結果表明：在沒有消石灰情況下，BFS根本無法形成強度，消石灰的加入確實激發了它的潛在活性，并且消石灰摻量為20%時是比較合適的。摻加消石灰后BFS試件強度開始形成，隨著消石灰摻量增加，強度總體保持上升趨勢；當消石灰摻量超過20%時增幅趨緩，其中30%和40%摻量的試件強度已非常接近，這表明消石灰摻量需合適，并非越多越好。

在乳化瀝青冷再生混合料中，筆者采用20%摻量的消石灰為激發劑進行后續試驗研究，如圖3。

由圖3可看出：這4個試驗組的劈裂強度、干濕劈裂強度差別均較小，只有凍融劈裂強度的差異較為明顯。其中，以消石灰做BFS激發劑和摻加水泥的實驗組，凍融劈裂強度相差僅0.11 MPa，且均高于其余兩個實驗組0.05～0.06 MPa。由此可見，以消石灰為激發劑能有效發揮BFS活性，該再生利用方案可行。

圖3 不同配合比下的干濕與凍融劈裂強度Fig. 3 Dry and wet splitting strength and freeze-thaw splitting strength under different mix proportions

筆者進一步分析了在該方式下BFS摻量變化對乳化瀝青冷再生混合料的性能影響。當消石灰摻量為BFS的20%時，如表8。

表8 不同BFS摻量下的凍融劈裂強度Table 8 Freeze-thaw splitting strength with different BFS content

在消石灰的激發作用下，隨著BFS摻量增加，乳化瀝青混合料強度與水穩定性不斷提高，但當摻量超過2.0%后增幅明顯減小，從材料成本及性價比方面考慮，BFS摻量不高于2.0%較為合適。另外，與水泥類似，過高的BFS摻量可能會導致乳化瀝青冷再生結構層的剛度偏高，不利于其耐久性。因此，筆者將摻入1.5%水泥的冷再生技術方案(方案1)和摻下入1.5%BFS+0.3%清石灰方案(方案2)進行對比試驗。

2.2 性能評價

2.2.1 40 ℃馬歇爾穩定度、流值

馬歇爾穩定度、流值是瀝青路面混合料設計中最基礎和最常用的性能指標，反映了瀝青混合料在一定溫度下的綜合強度。通常馬歇爾穩定度、流值的試驗溫度為60 ℃，但考慮到冷再生混合料一般用在基層，使用溫度沒有面層熱拌瀝青混合料那么高，故試驗溫度為40 ℃，經過6次試驗的結果如表9。

表9 馬歇爾穩定度與流值Table 9 Marshall stability and flow value

試驗顯示，摻加BFS或水泥的乳化瀝青冷再生混合料40 ℃穩定度、流值基本一致，且40 ℃穩定度均遠遠滿足文獻[20]中不小于5.0 kN的要求，性能優良。

2.2.2 60 ℃動穩定度

動穩定度體現了瀝青混合料在高溫條件下抵抗永久變形的能力。動穩定度采用車轍試驗測定，其板塊試件長300 mm、寬300 mm、厚50 mm。試驗溫度為60 ℃，輪壓0.7。車轍板采用60 ℃、養生48 h后二次碾壓成型，經過6次試驗的結果如表10。

表10 車轍試驗數據Table 10 Rutting test results

由表10可知：在該最佳配合比下，乳化瀝青冷再生混合料摻入水泥或BFS后，動穩定度差異不大，且均滿足文獻[21]中對夏天炎熱地區普通瀝青混合料動穩定度不小于800次/mm的要求。其中，摻加BFS后混合料的動穩定度略高于摻加水泥后，在一定程度上說明BFS在受消石灰激發后更能大幅提高混合料抗車轍能力。

2.2.3 60 ℃抗剪強度

抗剪強度反映的是瀝青混合料抵抗剪切破壞的能力，通常采用單軸貫入試驗進行檢測。本次試驗條件為：采用Φ(100×100)mm試件，壓頭直徑為28.5 mm，剪應力系數f=0.339；考慮到道路中車輛荷載越接近靜載瀝青混合料力學響應越不利，選取加載速率為1 mm/min；試驗溫度為60 ℃，經過6次試驗后的結果如表11。

表11 抗剪強度試驗數據Table 11 Shear strength test results

瀝青混合料抗剪強度大小還沒有相應的控制標準，乳化瀝青冷再生混合料抗剪強度更缺乏相關研究參考。本試驗在于對比摻加水泥和BFS后的乳化瀝青冷再生混合料的抗剪性能。由表12可見：其抗剪性能基本一致，說明BFS所起的增強作用與水泥相當。

2.2.4 單軸壓縮試驗

單軸壓縮試驗主要用于測定瀝青混合料抗壓回彈模量，同時也可測定混合料無側限抗壓強度。試驗用于計算路表回彈彎沉的抗壓回彈模量的標準試驗溫度為20 ℃，用于驗算層底彎拉應力抗壓回彈模量的標準試驗溫度為15 ℃。圓柱體試件直徑(100±2.0)mm、高(100±2.0)mm，使用旋轉成型方法制作，自然養生7 d以上。本次試驗采用MTS分別在20、15 ℃下完成，加載速率為2 mm/min，溫度與加載速率控制精確，試驗結果如表12。

表12 乳化瀝青混合料單軸壓縮試驗Table 12 Uniaxial compression test of emulsified asphalt mixture

根據文獻[20]，粗粒式乳化瀝青冷再生混合料抗壓回彈模量設計參數參考值為：15 ℃為1 000～1 400 MPa，20 ℃為800～1 200 MPa。本試驗結果均處于參考值內，且摻加BFS或水泥后的乳化瀝青冷再生混合料強度性能接近，其中BFS乳化瀝青混合料模量值略低于水泥乳化瀝青混合料。

3 結 論

筆者通過對比直接摻加BFS和以消石灰做激發劑摻加BFS的兩個乳化瀝青冷再生技術方案對比試驗，得出如下結論：

1)摻加1.5%BFS+0.3%消石灰和摻加1.5%水泥乳化瀝青冷再生混合料的路用性能十分接近，這表明在乳化瀝青冷再生混合料中添加BFS是可行性的。

2)對乳化瀝青冷再生混合料而言，干濕劈裂強度試驗無法有效地反映其水穩定性差異，建議采用凍融劈裂強度試驗來評價其水穩定性。

3)在乳化瀝青冷再生混合料中用BFS直接替代水泥，會降低混合料水穩定性；但采用1.5%BFS+0.3%消石灰激發劑后，可使混合料具備與1.5%水泥基本相當的高溫性能、水穩定性及強度性能。